硬件技術(shù)在硬件技術(shù)方面主要從處理機(jī)、存儲器和流水線三個方面來實現(xiàn)并行。1.處理機(jī)：主要的處理機(jī)系列包括CISC、RISC、超標(biāo)量、VL1W、超流水線、向量以及符號處理機(jī)。傳統(tǒng)的處理機(jī)屬于復(fù)雜指令系統(tǒng)計算(CISC)結(jié)構(gòu)。指令系統(tǒng)大，指令格式可變，通用寄存器個數(shù)較少，基本上使用合一的指令與數(shù)據(jù)高速緩存，時鐘頻率較低，CPI較高，大多數(shù)利用ROM 實現(xiàn)微碼控制CPU，而當(dāng)今的精簡指令系統(tǒng)計算(RISC)處理機(jī)指令格式簡單規(guī)范，面向寄存器堆，采用重疊寄存器窗口技術(shù)，具有多級Cache，多種流水線結(jié)構(gòu)，強調(diào)編譯優(yōu)化技術(shù)，時鐘頻率快，CPI低，大多數(shù)用硬連線控制CPU。
CISC或RISC標(biāo)量處理機(jī)都可以采用超標(biāo)量或向量結(jié)構(gòu)來改善性能。標(biāo)量處理機(jī)在每個周期內(nèi)只發(fā)射一條指令并要求周期只完成從流水線來的一條指令。而在超標(biāo)量處理機(jī)中，使用了多指令流水線，每個周期要發(fā)射多條指令并產(chǎn)生多個結(jié)果。由于希望程序中有許多的指令級并行性，因此超標(biāo)量處理機(jī)更要依靠優(yōu)化編譯器去開發(fā)并行性。VL1W 結(jié)構(gòu)是將水平微碼和超標(biāo)量處理這兩種普遍采用的概念結(jié)合起來產(chǎn)生的。典型的超長指令字VL1W 機(jī)器指令字長度有數(shù)百位。在VLlW 處理機(jī)中，多個功能部件是并發(fā)工作的，所有的功能部件共享使用公用大型寄存器堆，由功能部件同時執(zhí)行的各種操作是用VL1W 指令來同步的，每條指令可指定多個操作。VL1W 指令譯碼比超標(biāo)量指令容易，但在開發(fā)不同數(shù)量的并行性時總是需要不同的指令系統(tǒng)。VL1W 主要是開發(fā)標(biāo)量操作之間的并行性，它的成功與否很大程度取決于代碼壓縮的效率，其結(jié)構(gòu)和任何傳統(tǒng)的通用處理機(jī)完全不兼容。即使同一結(jié)構(gòu)的不同實現(xiàn)也不大可能做到彼此二進(jìn)制兼容。VL1W 的主要優(yōu)點在于它的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)簡單，在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮良好作用，但在一般應(yīng)用場合可能并不很好用。向量處理機(jī)對數(shù)組執(zhí)行向量指令，每條指令都包含一串重復(fù)的操作。它是專門設(shè)計用來完成向量運算的協(xié)處理機(jī)，通常用于多流水線超級計算機(jī)中。向量處理機(jī)可以利用循環(huán)級展開所得的并行性，它可以附屬于任何標(biāo)量處理機(jī)。專用的向量流水線可以在循環(huán)控制中消除某些軟件開銷，它的效果與優(yōu)化編譯器將順序代碼向量化的性能很有關(guān)系。從理論上說，向量機(jī)可以具有和超標(biāo)量處理機(jī)同樣的性能，因此可以說向量機(jī)的并行性與超標(biāo)量機(jī)相同。符號處理機(jī)是為AI應(yīng)用而研制的，已用于定理證明、模式識別、專家系統(tǒng)、知識工程、文本檢索、科學(xué)以及機(jī)器智能等許多應(yīng)用領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，數(shù)據(jù)和知識表達(dá)式、原語操作、算法特性、存儲器、I/0和通信以及專用的結(jié)構(gòu)特性與數(shù)值計算是不一樣的，符號處理機(jī)也稱為邏輯程序設(shè)計語言處理機(jī)、表處理語言處理機(jī)或符號變換器。
符號處理并不和數(shù)值數(shù)據(jù)打交道，它處理的是邏輯程序、符號表、對象、劇本、黑板、產(chǎn)生式系統(tǒng)、語義網(wǎng)絡(luò)、框架以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等問題。這些操作需要專門的指令系統(tǒng)，通常不使用浮點操作。2.存儲器：存儲設(shè)備按容量和存取時間從低到高可分為寄存器、高速緩存、主存儲器、磁盤設(shè)備和磁帶機(jī)五個層次。較低層存儲設(shè)備與較高層的相比，存取速度較快、容量較小，每字節(jié)成本較高、帶寬較寬、傳輸單位較小。存放在存儲器層次結(jié)構(gòu)中的信息滿足三個重要特性：包含性、一致性和局部性。所謂包含性，指的是一個信息字的復(fù)制品可以在比它高的所有層中找到，而如果在高層中丟失了一個信息，則在比它低的所有層中此信息也將丟失。CPU 和高速緩存之間的信息傳送是按字進(jìn)行的，高速緩存和主存儲器間用塊作為數(shù)據(jù)傳送的基本單位，主存和磁盤之間又是以頁面為基本單位來傳送信息的，而在磁盤和磁帶機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送則是按文件級處理的。所謂一致性要求的是同一個信息項與后繼存儲器層次上的副本是一致的。也就是說，如果在高速緩存中的一個字被修改過，那么在所有更高層上該字的副本也必須立即或最后加以修改。為了盡量減少存儲器層次結(jié)構(gòu)的有效存取時間，通常把頻繁使用的信息放在較低層次。
維護(hù)存儲器層次結(jié)構(gòu)一致性一般有兩種策略，一種是寫直達(dá)策略，也就是如果，則立即在所有高層存儲器中進(jìn)行同樣的修改;另一種是寫回策略，也就是在較低層中對信息進(jìn)行修改后并不立即在高層存儲器中進(jìn)行相應(yīng)的修改，而是等到該信息將被替換或?qū)牡蛯又邢r才在所有高層存儲器中進(jìn)行同樣的修改。甚至可以將寫直達(dá)和寫回策略的優(yōu)點結(jié)合起來，形成寫一次協(xié)議來維護(hù)存儲器的一致性。存儲器的層次結(jié)構(gòu)是在一種程序行為——訪問的局部性基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。主要有時間局部性、空間局部性和順序局部性。時間局部性指的是最近的訪問項很可能在不久的將來再次被訪問。
它往往會引起對最近使用區(qū)域的集中訪問。空間局部性表示一種趨勢，指的是一個進(jìn)程訪問的各項其地址彼此很近。順序局部性指的是在典型程序中，除非是轉(zhuǎn)移指令，一般指令都是順序執(zhí)行的。在多處理機(jī)系統(tǒng)中一般使用共享存儲器。對共享存儲器的組織一般采用低位交叉、高位交叉、高低位交叉三種方法。低位交叉又稱并發(fā)存取，它是把相鄰的地址放在相鄰的存儲器模塊中，在訪問時不容易產(chǎn)生沖突，并行性較好，但可靠性容錯能力和擴(kuò)展性均較差。高位交叉又稱允許同時存取，它是把相鄰地址分配到同一個存儲器模塊中，可靠性、容錯能力和擴(kuò)展性均較強，但訪問時易產(chǎn)生沖突，帶寬較窄，并行性較差。高低位交叉存取又稱C—s存取，它是結(jié)合了高位交叉和低位交叉兩種方法的優(yōu)點，既解決了沖突問題，又能有效地提高容錯能力和并行性，最適合于向量處理機(jī)結(jié)構(gòu)。
3.流水線：流水線技術(shù)主要有指令流水線技術(shù)和運算流水線技術(shù)兩種。指令流水線技術(shù)主要目的是要提高計算機(jī)的運行效率和吞吐率。它主要通過設(shè)置預(yù)取指令緩沖區(qū)、設(shè)置多功能部件、進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)定向、采取適當(dāng)?shù)闹噶钫{(diào)度策略來實現(xiàn)。指令調(diào)度的策略主要有靜態(tài)和動態(tài)兩種，靜態(tài)詞度是基于軟件的，主要由編譯器完成，動態(tài)詞度是基于硬件的，主要是通過硬件技術(shù)進(jìn)行。運算流水線主要有單功能流水線和多功能流水線兩種。其中多功能流水線又可分為靜態(tài)流水線和動態(tài)流水線。靜態(tài)流水線技術(shù)只用來實現(xiàn)確定的功能，而動態(tài)流水線可以在不同時間重新組合，實現(xiàn)不同的功能，它除流線連接外，還允許前饋和反饋連接，因此也稱為非線性流水線。這些前饋和反饋連接使得進(jìn)入流水線的相繼事件的詞度變得很不簡單。由于這些連接，流水線不一定從最后一段輸出。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流動模式，人們可以用同一條流水線求得不同功能的值
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